Công nghệ màn hình cho tương lai

Màn hình electrowetting kết hợp những ưu điểm của LCD và mực điện tử.

Màn hình công nghệ electrowetting sử dụng một hạt dầu như một cửa trập để hiển thị một điểm ảnh. Do không cần kính phân cực, những màn hình này hiệu quả hơn các LCD khi hiển thị hình ảnh màu cũng như đơn sắc. (Hình: Samsung
. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine)

Rất có khả năng là chúng ta dành nhiều thời gian để ngắm nhìn những cái màn hình điện tử hơn bất cứ thứ gì khác, kể cả khuôn mặt người bạn đời của chúng ta. Thế nhưng dù cho chúng hiện diện khắp nơi trong cuộc sống và đem lại hàng tỷ đô la doanh thu cho các nhà sản xuất thì ngày nay màn hình vẫn còn khá dỏm, đặc biệt là trên các thiết bị di động.

Màn hình tinh thể lỏng (LCD) thì tốn điện năng và hầu như vô dụng dưới ánh sáng mặt trời. Màn hình mực điện tử, được sử dụng trong hầu hết các thiết bị đọc sách điện tử, có lợi thế là nhẹ và đọc được ngay cả dưới ánh sáng chiếu trực tiếp, lại tiêu thụ rất ít điện năng, nhưng chúng không có màu và đáp ứng không đủ nhanh để chiếu phim.

Từ khá lâu, việc phát triển một loại màn hình kết hợp được những ưu điểm của LCD và mực điện tử đã được xem là một mục tiêu quan trọng. Trong năm nay, rất có thể ứng cử viên sáng giá nhất trong hàng chục loại màn hình đang được phát triển sẽ ra mắt thị trường.

Màn hình này hoạt động dựa trên công nghệ electrowetting, một kỹ thuật sử dụng điện áp để thay đổi “độ ướt” của một bề mặt và do đó làm cho một lớp dầu có thể được trải rộng ra hay gom lại. Nếu chất dầu này có thể cản sáng thì nó có thể hoạt động như một cửa trập để bật hay tắt một điểm ảnh một cách nhanh chóng.

Gã khổng lồ công nghệ Samsung sẽ là công ty đầu tiên đưa ra thị trường màn hình electrowetting sau khi mua lại công nghệ này từ Liquavista, một công ty tách ra từ Philips, năm 2010. Một công nghệ tương tự cũng đang được Gamma Dynamics, một công ty mới ở Cincinnati, thương mại hoá từ những kết quả nghiên cứu đạt được ở Đại Học Cincinnati (University of Cincinnati.)

Sự khác biệt về tính năng của các màn hình được thể hiện rõ nét nhất trong các ứng dụng di động. Với công nghệ electrowetting, một màn hình có thể hiển thị màu sắc rõ nét khi dùng trên bãi biển cũng như trong phòng ngủ, khi nội dung là sách, báo, phim, hay trang web, mà vẫn cực kỳ tiết kiệm điện năng. Trong tương lai xa hơn, electrowetting thậm chí có thể được dùng để làm ra những màn hình cuộn kiểu như trong các phim khoa học viễn tưởng gần đây. Khi đó một màn hình cỡ như màn hình iPad có thể được cuộn hay gấp lại để nằm gọn trong lớp vỏ có kích cỡ của một cái iPhone.

Johan Feenstra bật một công tắc trên một hộp kính lớn và khoảng nửa tá màn hình electrowetting đang trong giai đoạn thử nghiệm lập tức hiển thị những màu sắc rực rỡ và hết sức sống động. Với Johan Feenstra, đồng sáng lập của Liquavista và hiện tại là CEO của trung tâm nghiên cứu và phát triển của Samsung ở Eindhoven, Hà Lan, đây là thời điểm quan trọng. Ông sắp được biết liệu công nghệ mà ông ấp ủ suốt 13 năm qua có giành được một phần đáng kể nào không trong phân khúc thị trường màn hình màu hiệu suất cao.

Những sản phẩm trưng bày bên trong hộp kính trông khá thuyết phục. Có bảy màn hình kích cỡ từ 7 inch đến 9.7 inch (cỡ màn hình iPad). Một số màn hình hiển thị hình ảnh tĩnh còn một số khác trình diễn phim. Màu sắc được thể hiện một cách rõ ràng và mạnh mẽ còn các chuyển động thì mượt mà và không bị trễ hay nhoè. Màn trình diễn còn gây ấn tượng hơn bởi vì tất cả các màn hình này đều không có nguồn chiếu sáng bên trong (không dùng công nghệ backlit). Tất cả chúng đều phản xạ ánh sáng từ các đèn huỳnh quang lắp bên trong hộp kính và do đó có lẽ chỉ tốn khoảng 1/10 lượng năng lượng so với màn hình LCD sử dụng công nghệ backlit.

Màn hình LCD – màn hình tinh thể lỏng – là một trong những phát minh lớn của thế kỷ 20. Nhưng nó có một vài hạn chế. Một màn hình LCD điển hình có nhiều lớp thực hiện các chức năng quang học và điện tử nằm bên trên một nguồn sáng. Trong số các lớp này có hai lớp kính có chức năng phân cực ánh sáng theo hai hướng vuông góc nhau. Cách phân cực như thế này sẽ ngăn không cho ánh sáng đi qua. Tuy nhiên, giữa hai lớp kính phân cực đó có một lớp tinh thể lỏng. Lớp tinh thể lỏng này có đặc tính là khi một vùng nhỏ, gọi là một điểm ảnh con (subpixel), bị tác động bởi một điện áp thì các tinh thể lỏng sẽ thay đổi hướng phân cực của ánh sáng đi ra từ lớp kính phân cực thứ nhất và kết quả là ánh sáng sau khi đi qua lớp tinh thể lỏng sẽ không còn phân cực vuông góc với lớp kính phân cực thứ hai. Điều này sẽ cho phép một phần ánh sáng được phát ra khỏi màn hình. Nếu màn hình là loại màn hình màu, mỗi điểm ảnh con sẽ có một bộ lọc màu đỏ, xanh lá cây, hay xanh dương và vậy là mỗi điểm ảnh màu con này có thể được bật hay tắt bằng một điện áp. Đây là cách mà một màn hình với hàng nghìn hay hàng triệu điểm ảnh con hiển thị các hình ảnh đầy màu sắc.

Một hạn chế của màn hình LCD là các lớp kính phân cực giới hạn cả góc nhìn lẫn lượng ánh sáng phát ra từ đèn nền. Tổng cộng các lớp xử lý quang học như lớp phân cực, lớp lọc màu, làm suy giảm 90% cường độ ánh sáng từ đèn nền.

Màn hình electrowetting giảm sự suy hao này bằng cách bỏ đi các lớp phân cực. Một phiên bản của màn hình electrowetting sử dụng lớp dầu màu đen cản sáng để điều khiển ánh sáng phát qua một điểm ảnh con. Tưởng tượng điểm ảnh con này giống như một cái cốc cạn hình vuông. Cái cốc được đổ đầy nước và có một lớp dầu màu đen trải trên bề mặt của đáy cốc. Đáy cốc là một lớp chất cách điện trong suốt. Bên dưới lớp cách điện này là một lớp điện cực cũng trong suốt. Khi một điện áp được nối vào điện cực này thì lực tĩnh điện sẽ gom lớp dầu đen thành một chấm nhỏ ở góc của cái cốc. Khi đó ánh sáng có thể đi xuyên qua điểm ảnh con, ngoại trừ nơi bị chắn bởi chấm dầu.

Mặc dù chúng sử dụng những “cửa trập” khác nhau để điều khiển ánh sáng, màn hình electrowetting và LCD dùng chung nhiều thành phần trong đó có tấm nền chứa các transistor màn mỏng (thin-film transistor) để bật và tắt điện áp điều khiển cho mỗi điểm ảnh con. Điều này đem lại hai thuận lợi lớn: thứ nhất, màn hình electrowetting có thể khai thác nhiều công nghệ sử dụng trong màn hình LCD ví dụ như công nghệ tấm nền dùng indium gallium zinc oxide. Thứ hai, chúng có thể được sản xuất trên dây chuyền sản xuất LCD chỉ với một vài thay đổi nhỏ. Feenstra cho biết dây chuyền sản xuất thử nghiệm mà ông dùng ở Eindhoven có đến 90% cấu thành là giống như dây chuyền sản xuất LCD.

Một giọt nước trên một bề mặt không thấm nước bình thường sẽ tụ lại nhưng dưới tác dụng của một điện áp nó sẽ tản ra. (Hình: Samsung
. Nguồn: IEEE Spectrum Magazine)

Màn hình electrowetting có thể sử dụng phương pháp chiếu sau (backlit), tương tự như hầu hết các LCD, hay dùng ánh sáng phản xạ, hay thậm chí chiếu trước (front-lit), giống như các thiết bị đọc điện tử đời mới. Feenstra nói rằng khi sử dụng phương pháp chiếu sau các màn hình của ông tiêu tốn nhiều nhất là 1/3 công suất tiêu hao của một màn hình LCD thông thường. Mức tiết kiệm năng lượng như thế này có thể giúp tăng gấp đôi thời gian sử dụng một máy tính bảng giữa các lần sạc, Feenstra quả quyết.

Feenstra từ chối tiết lộ mục tiêu ban đầu của Samsung nhưng cũng nói rằng phương pháp sử dụng ánh sáng phản xạ có “cơ hội thương mại hoá.” Ngoài ra ông cũng cho rằng “ngành công nghiệp màn hình hiện tại đã qua khỏi giai đoạn phát triển phôi thai từ lâu và tăng trưởng doanh thu đã bão hoà. Vì vậy thay vì tập trung vào các thị trường hiện thời, chúng tôi đang tìm kiếm các thị trường hoàn toàn mới, nơi mà các công nghệ hiện thời không thể đáp ứng được.”

Trong khi đó Gamma Dynamics thì đánh cược vào khả năng các thiết bị sách điện tử sẽ áp dụng công nghệ này trước. Jason Heikenfeld, kỹ sư nghiên cứu chính (principal scientist) của Gamma Dynamics, cho biết rằng công ty đang phát triển màn hình electrowetting dưới dạng một tấm film dán để các nhà sản xuất có thể dán vào tấm nền để tạo ra màn hình một cách nhanh chóng và dễ dàng. Các màn hình mực điện tử thường được sản xuất theo phương pháp này, do đó sản phẩm của Gamma Dynamics sẽ cho phép các nhà sản xuất thiết bị đọc sách điện tử chuyển sang dùng màn hình electrowetting với mức độ rủi ro tối thiểu. Heikenfeld, đồng thời là phó giáo sư ngành điện ở Đại Học Cincinanati, nói rằng phương pháp này đã đem lại những lợi ích không ngờ tới: “Phương pháp này làm tăng độ sáng đến mức gần giống như giấy trắng.”

Liệu màn hình electrowetting có thể cạnh tranh được với các màn hình hiện tại hay không? Trong năm nay bức tranh công nghệ này sẽ trở nên rõ ràng hơn.

• Nguyên bản tiếng Anh: “Lighter, Brighter Displays,” Glenn Zorpette, IEEE Spectrum Magazine, January 2013
• Người dịch: Tạ Minh Chiến
• Hiệu chỉnh: Phạm Duy Đông